BOSCH蓄電池電量傳感器的結(jié)構(gòu)與原理概述

◆文/湖北 易 琨 楊天峰

BOSCH蓄電池電量傳感器的結(jié)構(gòu)與原理概述

◆文/湖北 易 琨 楊天峰

隨著怠速啟停功能在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用，如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠地估算蓄電池的狀態(tài)，從而有效地提高蓄電池的使用壽命，成了車(chē)載啟停系統(tǒng)面對(duì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。為了車(chē)載啟停系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確地掌握蓄電池狀態(tài)，避免怠速啟停失敗的情況的發(fā)生，并使得蓄電池的壽命得到有效提高，需要對(duì)蓄電池荷電狀態(tài)(SOC，State of Charge)、健康狀態(tài)(SOH，State of Health)、功能狀態(tài)(SOF，State of Function)、蓄電池的溫度模型(Battery Temperature Model)進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)測(cè)、估算。

荷電狀態(tài)(SOC)：是指蓄電池實(shí)際存儲(chǔ)的電量占額定容量的比例(蓄電池容量按照25℃時(shí)的20h放電率)；

健康狀態(tài)(SOH)：是指考慮到蓄電池老化因素而導(dǎo)致的實(shí)際最大電量存儲(chǔ)容量與額定容量的比例；

功能狀態(tài)(SOF)：是一個(gè)預(yù)測(cè)值，它預(yù)測(cè)了當(dāng)前蓄電池能提供的最低起動(dòng)電壓。功能狀態(tài)考慮了蓄電池的老化程度、溫度、內(nèi)阻以及發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的電流。功能狀態(tài)(SOF)對(duì)于啟停系統(tǒng)而言非常關(guān)鍵，直接關(guān)系到了相關(guān)控制策略。

溫度模型(BTM)：用來(lái)計(jì)算蓄電池的電解液的溫度。

法國(guó)標(biāo)致雪鐵龍汽車(chē)集團(tuán)與博世公司(BOSCH)合作開(kāi)發(fā)出了專用的蓄電池電量傳感器(EBS，Electronic Battery Sensor)。本文將對(duì)博世公司(BOSCH)的蓄電池電量傳感器EBS的功能、原理進(jìn)行介紹和闡述。

一、蓄電池電量傳感器的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)原理概述

1.系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)

EBS運(yùn)用在怠速啟停功能(STT—Stop and Start)的車(chē)型上時(shí)，由于STT功能對(duì)蓄電池的啟停次數(shù)要求比較高，需要使用加強(qiáng)型富液蓄電池(EFB—Enhanced Flooded Battery)或閥控鉛酸蓄電池中的AGM(Absorbed Glass Mat battery)蓄電池，所以EBS的作用就是維持EFB/AGM蓄電池的健康使用狀態(tài)，從而保證蓄電池的使用壽命。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，EBS主要功能就是實(shí)時(shí)測(cè)量蓄電池的溫度、電壓、電量，并將監(jiān)測(cè)的信息通過(guò)LIN網(wǎng)反饋給主控ECU(又叫BSI，即車(chē)載局域網(wǎng)絡(luò)智能控制器) ，使BSI能夠?qū)崟r(shí)掌握蓄電池的狀態(tài)，從而控制發(fā)電機(jī)及時(shí)給蓄電池補(bǔ)充電，使得蓄電池SOC、SOH狀態(tài)能夠維持在較高的水平。

如圖1所示：BOSCH的蓄電池電量傳感器一般由極夾、主體、接線片構(gòu)成。極夾將EBS固定在蓄電池負(fù)極極柱上，接線片用于連接EBS和蓄電池負(fù)極電纜。蓄電池電量傳感器主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)成如圖2所示。

主體構(gòu)成包括：上蓋、P C B、殼體、膠、分流器電阻(shunt)、針腳。

其中電壓傳感器測(cè)量電路和溫度傳感器集成在PCB板上，經(jīng)過(guò)特定的電路排布，再通過(guò)復(fù)雜的邏輯算法運(yùn)算，計(jì)算出蓄電池的工作溫度、輸出電流和輸出電壓。

圖1 蓄電池電量傳感器的構(gòu)成圖

圖2 蓄電池電量傳感器主體的內(nèi)部構(gòu)成圖

2.工作原理

圖3為蓄電池電量傳感器的電氣連接原理圖。

圖3 蓄電池電量傳感器的電氣連接原理圖

EBS的系統(tǒng)內(nèi)部主要包括—BSD電池狀態(tài)探測(cè)內(nèi)部邏輯算法電路、系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)硬件和機(jī)械部分，EBS通過(guò)線束連接器與LIN網(wǎng)絡(luò)(A連接孔位)和蓄電池正極供電端(E連接孔位)相連， LIN信號(hào)的通過(guò)LIN線直接與主控ECU(BSI)(BSI還可以與車(chē)庫(kù)維修測(cè)試儀相連)相連，還可以與可擴(kuò)展的LIN網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)連接(包括調(diào)試工具，返修工具、總裝下線檢測(cè)編程工具及測(cè)試儀)。

EBS的主要功能是確定蓄電池電流、電壓和溫度，以及根據(jù)這些值計(jì)算蓄電池狀態(tài)。狀態(tài)計(jì)算通過(guò)特殊的蓄電池狀態(tài)檢測(cè)(BSD，Battery State Detection)算法實(shí)現(xiàn)。電池電流、電壓和溫度以及BSD算法的數(shù)據(jù)輸出通過(guò)LIN通信總線輸送到主控單元ECU(BSI)。在車(chē)上沒(méi)有蓄電池或者裝配了無(wú)法使用的蓄電池情況下，進(jìn)行車(chē)輛操作可能對(duì)會(huì)交流發(fā)電機(jī)和車(chē)輛電氣系統(tǒng)的使用壽命和功能產(chǎn)生負(fù)面影響。 如果從EBS發(fā)送的信號(hào)中診斷出蓄電池功能不足或蓄電池缺失，這種情況下行駛過(guò)程中會(huì)向客戶發(fā)出提示和警告。

注意：EBS沒(méi)有任何關(guān)閉任何客戶負(fù)載的功能。這種關(guān)閉功能由其他控制單元提供。如主控單元ECU(BSI)。

二、測(cè)量原理

EBS傳感器(安裝在電池極柱上)各個(gè)參數(shù)測(cè)量原理符合本章規(guī)定，且保證負(fù)載持續(xù)電流≤150A。

1.電壓測(cè)量

蓄電池電壓信號(hào)通過(guò)多路開(kāi)關(guān)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)16位AD采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字比較轉(zhuǎn)換和微控制器運(yùn)算處理后，會(huì)將結(jié)果輸出至LIN網(wǎng)絡(luò)上(電壓和溫度的信號(hào)測(cè)量共用16位AD采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控制器)。

2.溫度測(cè)量

溫度測(cè)量通道：溫度傳感器器集成在EBS的專用集成集成電路內(nèi)，電壓和溫度測(cè)量通路共用一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，溫度信號(hào)測(cè)量路徑的采樣比較電路、運(yùn)算電路與電壓測(cè)量通道相同(圖4)。溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)16位AD采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字比較轉(zhuǎn)換和微控制器運(yùn)算處理后，其結(jié)果輸出至LIN網(wǎng)絡(luò)上。

圖4 EBS電壓和溫度測(cè)量通道

3.電流測(cè)量

圖5所示為EBS電流測(cè)量通道。

圖5 EBS電流測(cè)量通道

電阻規(guī)定：負(fù)極極夾設(shè)置點(diǎn)和分流器之間的電阻小于250μ Ω。

測(cè)量原理：負(fù)載電流經(jīng)過(guò)分流器電阻后產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)EBS內(nèi)部采樣輸入電路信號(hào)調(diào)理后，再經(jīng)過(guò)可編程增益放大器放大，然后輸入到16位AD采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP，μc芯片)邏輯算法運(yùn)算得到負(fù)載電流的運(yùn)算輸出值，負(fù)載電流的運(yùn)算輸出值最后輸出到LIN網(wǎng)絡(luò)。

4.電量計(jì)算

(1)EBS的工作模式

EBS的工作模式有兩種：主動(dòng)模式和中斷停止模式，其中主動(dòng)模式又分為L(zhǎng)IN模式和監(jiān)視模式。

在主動(dòng)模式下，EBS測(cè)量電池的電壓值、電流值并且更新BSD數(shù)據(jù)。在LIN模式下，EBS的BSD的數(shù)據(jù)的被連續(xù)計(jì)算，并通過(guò)LIN網(wǎng)絡(luò)與外部交換數(shù)據(jù)；在監(jiān)視模式下，EBS持續(xù)檢查過(guò)渡到停止模式的條件是否滿足：只要條件不滿足，EBS保持激活狀態(tài)和連續(xù)測(cè)量電池電壓U、電流I、溫度T和不斷更新的BSD數(shù)據(jù)。上電復(fù)位時(shí)EBS自動(dòng)進(jìn)入監(jiān)視模式。(2)荷電狀態(tài)(SOC)計(jì)算

荷電狀態(tài)(SOC)的計(jì)算：

荷電狀態(tài)(SOC)的定義：SOC=Q_T25_I20(25℃時(shí)以I20放電電流容量額定容量)/C_nom(額定容量)。

Q_T25_I20是可以用充電恢復(fù)能量,可在25℃室溫時(shí)以I20放電電流放電到開(kāi)路電壓10.5V時(shí)，從蓄電池獲得的能量。

C_nom是蓄電池的額定容量。

SOC值的確定取決于所測(cè)得的電壓、電流、電池溫度的準(zhǔn)確程度。SOC值在LIN網(wǎng)絡(luò)模式下連續(xù)被計(jì)算。在監(jiān)測(cè)模式下，SOC值至少每小時(shí)更新一次。

(3)SOC值的快速測(cè)定

上電復(fù)位后EBS執(zhí)行一次所謂的快速SOC?？焖賁OC計(jì)算的目的是在上電復(fù)位后取得初始的SOC值，策略依據(jù)是根據(jù)測(cè)量電池電壓、電池電流和以及已被確定的蓄電池溫度和已被標(biāo)定的蓄電池的電池SOC-OCV(開(kāi)路電壓，Open Circuit Voltage)曲線。如果在快速SOC計(jì)算的至少24h之前，蓄電池沒(méi)有充電和放電，快速SOC測(cè)定的誤差范圍公差小于+/-15%。

準(zhǔn)確快速SOC的要求：蓄電池編碼的執(zhí)行；上電復(fù)位期間負(fù)載電流＜ 20A的；SOC值＞ 30%；④蓄電池溫度為室溫。

如果快速的SOC計(jì)算前，沒(méi)有已被編碼的有效電池類型和BSD數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器，快速的SOC過(guò)程使用默認(rèn)的電池參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

EBS在上電復(fù)位后的比較電壓第一秒和第十秒的電池電壓采樣值，如果在第10s電壓值測(cè)定值高于第1s 20mV以上且該數(shù)值小于13.5V，軟件將啟動(dòng)一輪新的快速的SOC計(jì)算(通過(guò)觸發(fā)一次電池狀態(tài)探測(cè)BSD復(fù)位實(shí)現(xiàn))。U_10s＞U_1s 且U_10s＜13.5V-＞ BSD復(fù)位，新的一輪快速SOC計(jì)算。 在BSD的重新初始化期間(大約2s)，EBS將最近的計(jì)算快速的SOC值發(fā)送到LIN網(wǎng)上。

三、總結(jié)

以上內(nèi)容是對(duì)博世公司BOSCH的蓄電池電量傳感器EBS結(jié)構(gòu)和工作原理的簡(jiǎn)要介紹。實(shí)踐表明，BOSCH的EBS在整車(chē)上的應(yīng)用一定按照該傳感器的使用技術(shù)說(shuō)明書(shū)的要求的進(jìn)行。只有按照了使用技術(shù)說(shuō)明書(shū)的要求應(yīng)用，才能達(dá)到該產(chǎn)品的使用性能和測(cè)量精度。